Spektralt bevis fundet for Dirac-spinoner i en kagomegitter-antiferromagnet

En ny undersøgelse, offentliggjort i et nyligt nummer af Nature Physics , kaster lys over den længe ventede fremkomst af kvasipartikler, beslægtet med de berømte Dirac-partikler, der adlyder den relativistiske Dirac-ligning. Disse kvasipartikler, kendt som Dirac-spinoner, blev teoretiseret til at eksistere i en ny kvantetilstand kaldet en kvantespin-væsketilstand.

Opdagelsen er resultatet af et samarbejde mellem teoretiske fysikere Dr. Chengkang Zhou og professor Zi Yang Meng fra Institut for Fysik ved University of Hong Kong (HKU), sammen med eksperimentel Zhenyuan Zeng og professor Shiliang Li ved Institut for Fysik ( IOP), Chinese Academy of Sciences (CAS) og professor Kenji Nakajima fra J-PARC Center, Japan.

Kvasipartikler er spændende enheder, der opstår fra kollektiv adfærd inden for materialer, der kan behandles som en gruppe af partikler. Specifikt forventes Dirac-spinonerne at udvise unikke egenskaber svarende til Dirac-partikler i højenergifysik og Dirac-elektronerne i grafen- og quantum moire-materialer, såsom et lineært spredningsforhold mellem energi og momentum. Men sådanne spin-½ ladning neutrale kvasipartikler er ikke blevet set i kvantemagneter før dette arbejde.

"At finde Dirac-spinoner i kvantemagneter har været drømmen for generationer af kondenseret stof-fysikere; nu hvor vi har set beviserne for dem, kan man begynde at tænke på de utallige potentielle anvendelser af et sådant stærkt sammenfiltret kvantemateriale.

"Hvem ved, måske vil folk en dag bygge kvantecomputere med det, ligesom folk har gjort det i det sidste halve århundrede med silicium," sagde professor Meng, HKU-fysiker og en af ​​de tilsvarende forfattere til papiret.

Holdets undersøgelse fokuserede på et unikt materiale kendt som YCu₃ -Br, karakteriseret ved en kagome-gitterstruktur, der fører til fremkomsten af ​​disse undvigende kvasipartikler.

Tidligere undersøgelser havde antydet materialets potentiale til at udvise en kvantespin flydende tilstand, hvilket gør det til en ideel kandidat til udforskning. For at muliggøre observation af spinoner i YCu₃ , overvandt forskerholdet adskillige udfordringer ved at samle cirka 5.000 enkeltkrystaller sammen, hvilket opfylder kravene til at udføre eksperimenter såsom uelastisk neutronspredning.

Ved at bruge denne avancerede teknik undersøgte holdet materialets spin-excitationer og observerede spændende koniske spin-kontinuum-mønstre, der minder om den karakteristiske Dirac-kegle. Mens direkte påvisning af enkelt spinon viste sig at være udfordrende på grund af eksperimentelle begrænsninger, sammenlignede holdet deres resultater med teoretiske forudsigelser og afslørede distinkte spektrale træk, der indikerer tilstedeværelsen af ​​spinoner i materialet.

At finde spektrale beviser for Dirac-spinon-excitationer har altid været en udfordring. Denne opdagelse giver overbevisende beviser for eksistensen af ​​en Dirac-kvantespin-væsketilstand, som kan være beslægtet med et klart skrig, der skærer gennem tågen af ​​spektral undersøgelse af kvantespin-væsketilstanden.

Resultaterne fremmer ikke kun vores grundlæggende forståelse af kondenseret stofs fysik, men åbner også døre for yderligere udforskning af egenskaberne og anvendelserne af YCu₃ .

Karakteriseret ved tilstedeværelsen af ​​fraktioneret spinon-excitationer, er kvantespinvæsketilstanden potentielt relevant for højtemperatursuperledning og kvanteinformation. I denne tilstand er spinsene stærkt sammenfiltrede og forbliver uordnede selv ved lave temperaturer.

Derfor ville undersøgelse af de spektrale signaler, der stammer fra spinoner, der adlyder Dirac-ligningen, give en bredere forståelse af stoffets kvantespinvæsketilstand. En sådan forståelse tjener også som en guidepost til dens bredere anvendelser, herunder udforskning af højtemperatursuperledning og kvanteinformation.

Flere oplysninger: Zhenyuan Zeng et al., Spektralt bevis for Dirac-spinoner i en kagome-gitter antiferromagnet, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02495-z

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af University of Hong Kong